DE4329759A1 - Method for controlling a process - Google Patents

Method for controlling a process

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Abstract

The invention relates to a method for controlling a process which can assume different power levels, has a different dynamic behaviour at these power levels, and which forms the control path (1) of a control loop with a state controller (2). In order to achieve optimum adaptation of the state controller (2), it is proposed to adapt control parameters (ri), that is to say the components of the control vector (r), as a function of the respective power level and in a different manner for each parameter (ri). In addition, it is proposed to link the adapted control parameters (ri) by multiplication, not using state variables but only using their change, that is to say using delta state variables ( DELTA xi). <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung eines Prozesses nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a control method a process according to the preamble of claim 1.

Es handelt sich um ein Verfahren für einen Regelkreis, der als Regelstrecke einen Prozeß enthält, der unterschiedliche Leistungsniveaus annehmen kann. Auf diesen Leistungsniveaus hat der Prozeß ein vom Leistungsniveau abhängiges - auch in seinen Prozeßteilen - unterschiedliches dynamisches Verhal­ ten. Das dynamische Verhalten kann durch eine vektorielle Differentialgleichung beschrieben werden. Deren Lösung ist dann der Zustandsvektor, dessen Komponenten die Zustandsva­ riablen sind, die einem Zustandsregler zugeführt werden. Bei einem realen Prozeß werden die Zustandsvariablen entwe­ der meßtechnisch erfaßt oder mit Hilfe eines Beobachters als Schätzwerte ermittelt.It is a procedure for a control loop that as a controlled system contains a process that is different Performance levels. At these performance levels the process has a performance level dependent - also in its process parts - different dynamic behavior The dynamic behavior can be determined by a vectorial Differential equation are described. Their solution is then the state vector, the components of which are the state va are variables that are fed to a state controller. In a real process, the state variables are either which is measured or with the help of an observer determined as estimates.

Die Anzahl der Zustandsvariablen wird durch die Ordnung des zu regelnden dynamischen Prozesses bestimmt. Sie ist iden­ tisch mit der Anzahl der Komponenten des Regelvektors. Um die optimale Regelgüte beim je Leistungsniveau unterschied­ lichen dynamischen Verhalten des Prozesses berücksichtigen zu können, müssen die einzelnen Komponenten des Regelvek­ tors, d. h. die Regelparameter während des Prozeßablaufs ad­ aptiert werden.The number of state variables is determined by the order of the determined to be controlled dynamic process. It is iden table with the number of components of the rule vector. Around the optimal control quality for each performance level Take into account the dynamic behavior of the process  to be able to, the individual components of the Regelvek tors, d. H. the control parameters ad be accepted.

Bei bekannten Verfahren erfolgt diese Adaption durch Multi­ plikation des ganzen Regelvektors oder des vom Zustandsreg­ ler ausgegebenen Stellsignals mit Hilfe eines Anpassungs­ faktors, der vom Leistungsniveau oder allgemein vom Be­ triebsniveau abhängig ist.In known methods, this adaptation is carried out by multi application of the whole rule vector or of the state reg ler output control signal with the help of an adaptation factor that depends on the level of performance or in general on the loading drive level is dependent.

Ein solches Verfahren, von dem die Erfindung ausgeht, ist in "Regelungstechnische Praxis" 26. Jahrgang, 1984, Heft 8, Seiten 351 bis 356 beschrieben. Der dort betrachtete Prozeß ist ein Dampfüberhitzer in einem Dampfkraftwerkskessel. Ge­ regelt wird die Dampftemperatur. Dieser Prozeß stellt auch eine typische, jedoch nicht die einzige Anwendungsmöglich­ keit für das erfindungsgemäße Verfahren dar. Da bei einem solchen Prozeß die Zwischentemperaturen als Zustandsvari­ ablen nur mit großem Aufwand meßtechnisch erfaßbar sind, arbeitet man mit einem Beobachter, der diese liefert. Der Beobachter ist in der vorgenannten Druckschrift als Serien­ schaltung von Verzögerungsgliedern erster Ordnung reali­ siert. Zur Anpassung des Beobachters an das dynamische Ver­ halten des Prozesses werden die Zeitkonstanten der einzel­ nen Verzögerungsglieder in Abhängigkeit der Last, d. h. vom Dampfmassenstrom, adaptiert. Weiterhin wird die Beobachter­ verstärkung durch ein externes Signal adaptiert. Dieses ex­ terne Signal wird außerdem benutzt um das Ausgangssignal des Zustandsreglers durch Division anzupassen. Eine indivi­ duelle Adaption der Komponenten des Regelvektors erfolgt nicht.One such method, from which the invention is based, is in "Control engineering practice" 26th year, 1984, volume 8, Pages 351 to 356. The process considered there is a steam superheater in a steam power plant boiler. Ge regulates the steam temperature. This process also poses a typical, but not the only possible application speed for the method according to the invention such process, the intermediate temperatures as a state variable measurement can only be measured with great effort, one works with an observer who delivers this. Of the The observer is in the aforementioned publication as a series Real-time switching of delay elements siert. To adapt the observer to the dynamic ver Keeping the process going are the time constants of each NEN delay elements depending on the load, i. H. from Steam mass flow, adapted. Furthermore, the observer gain adapted by an external signal. This ex ternal signal is also used around the output signal of the state controller by division. An individual duel adaptation of the components of the rule vector takes place Not.

In dem Aufsatz Johannes Mann "Temperature control using state feedback in a fossil fired power plant", IFAC-Sympo­ sium on Control of power plants and power systems, München, 9. bis 11. März 1992, Preprints Volume 1, Seiten 61 bis 66 ist ebenfalls ein Verfahren zur Temperaturregelung eines Überhitzers mit einer Beobachter-Zustandsregler-Kombination beschrieben. Auch bei diesem Verfahren wird es für ausrei­ chend erachtet, das dynamische Verhalten des Zustandsreg­ lers durch ein einziges Glied, dort in Fig. 1 als Dividie­ rer dargestellt, zu adaptieren. Im zugehörigen Text ist ausgeführt, daß die Regelparameter fxi bei Laständerung un­ verändert bleiben. Es werden lediglich Zeitkonstanten des Beobachters adaptiert.In the essay by Johannes Mann "Temperature control using state feedback in a fossil fired power plant", IFAC Symposium on Control of power plants and power systems, Munich, March 9 to 11, 1992, Preprints Volume 1, pages 61 to 66 a method for temperature control of a superheater with an observer-state controller combination is also described. In this method, too, it is considered sufficient to adapt the dynamic behavior of the state controller by a single link, shown there in FIG. 1 as a divider. The associated text states that the control parameters fxi remain unchanged when the load changes. Only time constants of the observer are adapted.

Als adaptierendes Signal wird der Verstärkungsfaktor der Regelstrecke ("plant gain") benutzt. Unberücksichtigt bleibt die Tatsache, daß sich neben dem Verstärkungsfaktor auch die Zeitkonstanten der Regelstrecke lastabhängig än­ dern, die deren dynamisches Verhalten mitbestimmen. Es kann daher nicht in jedem Betriebszustand ein optimales oder vorgebbares dynamisches Verhalten des Regelkreises erreicht werden. Es wird lediglich eine mittlere, also kompromißmä­ ßige Einstellung erzielt, und hierdurch eine gewisse Robust­ heit erreicht.The gain factor is the adaptive signal Plant gain is used. Not considered remains the fact that next to the gain factor the time constant of the controlled system also changes depending on the load those who have a say in their dynamic behavior. It can therefore not an optimal or in every operating state Predeterminable dynamic behavior of the control loop achieved become. It will only be a medium one, that is, a compromise ßig setting achieved and thereby a certain robustness achieved.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 hinsichtlich einer vorgebbaren optimalen Dynamik in jedem Leistungsniveau zu verbessern und dadurch die größtmögliche Robustheit zu er­ zielen. Das Verfahren soll für Systeme mit oder ohne Beob­ achter anwendbar sein.The invention has for its object a method according to the preamble of claim 1 with respect to a predeterminable optimal dynamics in every performance level improve and thereby the greatest possible robustness aim. The method is intended for systems with or without ob Eighth can be applicable.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den kennzeich­ nenden Merkmalen des Anspruchs 1 in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.This task is characterized by a method with the nenden features of claim 1 in conjunction with the Features of the generic term solved.

Mit der Erfindung wird vorgeschlagen, die Komponenten des Regelvektors individuell und leistungsniveau-abhängig zu adaptieren. Wesentlich ist außerdem, daß nicht die Zu­ standsvariablen selbst, sondern nur deren Änderung jeweils mit einer Komponente des Regelvektors multipliziert werden.The invention proposes the components of the Rule vector individually and depending on performance level adapt. It is also important that the Zu  status variables themselves, but only their changes in each case be multiplied by a component of the rule vector.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat eine Reihe von Vortei­ len. Es ist ohne weiteres einsichtig, daß durch die Adap­ tion der einzelnen Regelparameter aufgrund der damit gege­ benen Erweiterung der Freiheitsgrade eine konsequente An­ passung an die Prozeßdynamik möglich ist. Würde man jedoch die einzelnen Zustandsvariablen mit lastabhängig veränder­ ten Regelparametern multiplizieren, so würden sich beim Übergang von einem Leistungsniveau zu einem anderen zu große, störende Änderungen der Stellgrößen ergeben. Der Re­ gelvorgang wäre dadurch unruhig oder gar instabil. Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß nicht die Zustandsvariablen selbst, sondern nur deren Änderungen mit den Regelparametern multipliziert werden.The method according to the invention has a number of advantages len. It is readily apparent that the Adap tion of the individual control parameters based on the expansion of the degrees of freedom is a logical proposition Adaptation to the process dynamics is possible. Would you however the individual state variables with load-dependent change multiply th control parameters, so the Transition from one performance level to another large, disruptive changes in the manipulated variables result. The Re The gel process would be restless or even unstable. This The problem is solved according to the invention in that not State variables themselves, but only their changes the control parameters are multiplied.

Diese Maßnahme hat noch den weiteren Vorteil, daß das Ver­ fahren auch in Leitsystemen anwendbar ist, die relativ eng wertebereichbegrenzt sind.This measure has the further advantage that the Ver driving is also applicable in control systems that are relatively narrow range of values are limited.

Eine ausführlichere Beschreibung der Erfindung und von Aus­ gestaltungen erfolgt nachstehend anhand von Ausführungsbei­ spielen, die in den Zeichnungen dargestellt sind.A more detailed description of the invention and of The design is based on execution examples play, which are shown in the drawings.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 einen Grundbaustein zur Gewinnung eines Ände­ rungssignals aus einer zugeführten physikali­ schen Größe, die mit einer Komponente des Re­ gelvektors multipliziert wird, Fig. 1 shows a basic building block for obtaining a signal of amendments from a feed physi rule size, that is multiplied gelvektors with a component of Re,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel für eine Anordnung ohne Beobachterschaltung zur Durchführung des Regel­ verfahrens und Fig. 2 shows an embodiment of an arrangement without an observer circuit for performing the control method and

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel für eine Anordnung mit Beobachterschaltung zur Durchführung des Regel­ verfahrens. Fig. 3 shows an embodiment of an arrangement with an observer circuit for performing the control method.

In den Zeichnungen sind Bezugszeichen und Signalbezeichnun­ gen, die in den Figuren übereinstimmen, jeweils gleich be­ zeichnet. Ein Index i bedeutet in üblicher Weise, daß meh­ rere gleichartige Signale bzw. Komponenten vorhanden sind.In the drawings, reference numerals and signal designations are conditions that correspond in the figures, be the same draws. An index i means in the usual way that meh There are similar signals or components.

Fig. 1 zeigt einen Grundbaustein 9 zur Erfassung der Ände­ rung einer gemessenen oder nachgebildeten physikalischen Größe x, die sich um Beträge Δxi≷0 gegenüber dem Ausgangs­ zustand ändert, sowie zur Multiplikation mit einem indivi­ duellen Regelparameter ri. Der Grundbaustein 9 findet in angepaßter Form in den in weiteren Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen Anwendung. Er dient zur Erläuterung des benutzten Prinzips der Bildung eines Änderungssignals, das auch in anderem Zusammenhang angewendet werden kann. Fig. 1 shows a basic block 9 for detecting the change tion of a measured or simulated physical quantity x, which changes by amounts Δx i ≷0 compared to the initial state, and for multiplication with an individual control parameter r i . The basic module 9 is used in an adapted form in the exemplary embodiments shown in further figures. It serves to explain the principle used to form a change signal, which can also be used in another context.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung enthält eine erste Additionsstelle 11, eine zweite Additionsstelle 12, ein er­ stes PT1-Glied 41 mit der Zeitkonstanten T, eine sechste Multiplikationsstelle 26 und einen ersten Integrator 31, dessen Nachlaufzeitkonstante mit der Zeitkonstante T des ersten PT1-Glied 41 identisch ist. Eine am Eingang des Bau­ steins 9 anstehende physikalische Größe x, bzw. eine um Δx geänderte Größe (x+Δx), wird mit positivem Vorzeichen di­ rekt und außerdem über das erste PT1-Glied 41 mit negativem Vorzeichen zur ersten Additionsstelle 11 geführt. Das Aus­ gangssignal der ersten Additionsstelle 11 wird an der sech­ sten Multiplikationsstelle 26 mit dem Parameter ri multi­ pliziert. Das Ausgangssignal der sechsten Multiplikations­ stelle 26 ist jeweils mit positivem Vorzeichen einmal di­ rekt und einmal über den ersten Integrator 31 zur zweiten Additionsstelle 12 geführt, deren Ausgangssignal die zu bildende adaptierte Änderung Δx·ri ist. Da im Beharrungszu­ stand das Ausgangssignal der ersten Additionsstelle 11 Null ist, wird sich - im Beharrungszustand - das Ausgangssignal der sechsten Multiplikationsstelle 26 nicht ändern wenn ri adaptiert wird. Das heißt, daß trotz einer Änderung des Pa­ rameters ri auf ri+ Δri das Signal am Ausgang der zweiten Additionsstelle 12 unverändert bleibt. Der neue Wert von ri+Δri wird erst beim nachfolgenden transienten Vorgang wirksam.The arrangement shown in FIG. 1 contains a first addition point 11 , a second addition point 12 , a first PT1 element 41 with the time constant T, a sixth multiplication point 26 and a first integrator 31 , whose follow-up time constant with the time constant T of the first PT1- Link 41 is identical. A pending physical variable x at the input of the block 9 , or a variable changed by Δx (x + Δx), is di rectly with a positive sign and is also led via the first PT1 element 41 with a negative sign to the first addition point 11 . The output signal from the first addition point 11 is multiplied at the sixth multiplication point 26 with the parameter r i multi. The output signal of the sixth multiplication point 26 is in each case with a positive sign once di rectly and once via the first integrator 31 to the second addition point 12 , the output signal of which is the adapted change Δx · r i to be formed . Since the output signal of the first addition point 11 was zero in the steady state, the output signal of the sixth multiplication point 26 will not change - if it is in the steady state - if r i is adapted. This means that despite a change in the parameter r i to r i + Δr i, the signal at the output of the second addition point 12 remains unchanged. The new value of r i + Δr i only becomes effective in the subsequent transient process.

Fig. 2 zeigt ein erstes Anwendungsbeispiel zum erfindungs­ gemäßen Verfahren, bei dem direkt gemessene Zustandsvari­ ablen xi, wobei i = 1,2, . . . , n, einer Regelstrecke 1 zur Verfügung stehen und einem Zustandsregler 2 zugeführt wer­ den. Der Zustandsregler 2 hat integrierendes Verhalten, das ihm ein zweiter Integrator 32 verleiht, dem ein die Re­ gelabweichung (w-y) in adaptierter Form darstellendes Si­ gnal E zugeführt ist. Dieses Eingangssignal E des zweiten Integrators 32 ist gebildet durch Subtraktion der Regel­ größe y vom Sollwert w an einer dritten Additionsstelle 13 und durch Multiplikation deren Ausgangssignals mit einem Regelparameter rn+1 an einer ersten Multiplikationsstelle 21 n+1. Der Sollwert w ist an einem Sollwertgeber 4 ein­ stellbar. Der Regelparameter rn+1 wird in einem Funktions­ bildner 8 n+1, dessen Funktion mit Fn+1 bezeichnet ist, ge­ bildet. Eingangssignal des Funktionsbildners 8 n+1 ist ein adaptierendes Signal Z, das vom Leistungsniveau abhängig ist. Fig. 2 shows a first application example of the method according to the Invention, in which directly measured state variables deflect x i , where i = 1,2. . . , n, a controlled system 1 are available and supplied to a state controller 2 who the. The state controller 2 has integrating behavior, which gives it a second integrator 32 , to which a control deviation (wy) representing the signal E is supplied in an adapted form. This input signal E of the second integrator 32 is formed by subtracting the control variable y from the desired value w at a third addition point 13 and by multiplying its output signal by a control parameter r n + 1 at a first multiplication point 21 n + 1 . The setpoint w can be set on a setpoint generator 4 . The control parameter r n + 1 is formed in a function generator 8 n + 1 , the function of which is designated F n + 1 . The input signal of the function generator 8 n + 1 is an adapting signal Z, which is dependent on the power level.

Die Anordnung gemäß Fig. 2 enthält mehrere, gegenüber dem in Fig. 1 gezeigten Grundbaustein 9 abgewandelte erste Bausteine 91, denen jeweils eine Zustandsvariable x₁ bis xn zugeführt ist. Im ersten Baustein 91 wird jeweils das Aus­ gangssignal der ersten Additionsstelle 11 an einer ersten Multiplikationsstelle 21₁ bis 21n mit dem Parameter ri mul­ tipliziert, wobei der Parameter ri jeweils in einem Funkti­ onsgeber 8 i gebildet wird, dem das adaptierende Signal Z zugeführt ist. The arrangement according to FIG. 2 contains several first modules 91 which are modified compared to the basic module 9 shown in FIG. 1 and to which a state variable x 1 to x n is supplied in each case. In the first block 91 , the output signal from the first addition point 11 is multiplied at a first multiplication point 21 1 to 21 n by the parameter r i , the parameter r i being formed in each case in a function transmitter 8 i to which the adapting signal Z is fed.

Die Ausgangssignale Ai der Bausteine 91 sind einem ersten Summenbildner 28 zugeführt. Das Ausgangssignal des ersten Summenbildners 28 ist einmal direkt und einmal über einen dritten Integrator 33 jeweils mit positivem Vorzeichen zu einer vierten Additionsstelle 14 geführt. Die Funktion der Komponenten 14, 33 entspricht der Funktion der in Fig. 1 dargestellten Komponenten 12, 31. Das Ausgangssignal der vierten Additionsstelle 14 stellt die Summe der durch Re­ gelparameter ri adaptierten sogenannten Delta-Zustandsvari­ ablen Δxi·ri dar. Zu diesem Signal wird an einer fünften Additionsstelle 15 das Ausgangssignal des zweiten Integra­ tors 32 addiert zur Bildung der Stellgröße u.The output signals A i of the modules 91 are fed to a first summing unit 28 . The output signal of the first totalizer 28 is once directly and once via a third integrator 33, each with a positive sign, to a fourth addition point 14 . The function of the components 14 , 33 corresponds to the function of the components 12 , 31 shown in FIG. 1. The output signal of the fourth addition point 14 represents the sum of the so-called delta state variables adapted by control parameters r i . Δx i · r i . To this signal, the output signal of the second integrator 32 is added at a fifth addition point 15 to form the manipulated variable u .

Die beim erfindungsgemäßen Verfahren benutzte Verknüpfung von Delta-Zustandsvariablen Δxi mit leistungsniveau-abhän­ gigen Regelparametern ri führt bei der Veränderung des Pa­ rameters ri, i = 1 bis n, zu wesentlich kleineren Änderun­ gen der Stellgröße u, als eine Verwendung der Zustandsvari­ ablen xi.The combination of delta state variables Δx i used in the method according to the invention with performance level-dependent control parameters r i leads to significantly smaller changes in the manipulated variable u when changing the parameter r i , i = 1 to n, than using the state variable deflect x i .

Zur Erläuterung dieses Unterschieds wird angenommen, daß sich beim Übergang der Regelstrecke von einem Betriebsni­ veau zum anderen die Zustandsvariable von (xi)₁ auf [(xi)₁+Δxi] = (xi)₂ und die Komponente ri des Regelvek­ tors von (ri)₁ auf [(ri)₁+Δri] = (ri)₂ ändern. Dann be­ trägt bei Verwendung der Zustandsvariablen xi die Änderung des i-ten Eingangssignals des Zustandsreglers:To explain this difference, it is assumed that the state variable changes from (x i ) ₁ to [(x i ) ₁ + Δx i ] = (x i ) ₂ and the component r i des at the transition of the controlled system from one operating level to the other Change Regelvek tors from (r i ) ₁ to [(r i ) ₁ + Δr i ] = (r i ) ₂. Then when using the state variable x i, the change in the i-th input signal of the state controller is:

Bei Verwendung der Delta-Zustandsvariablen beträgt die Ände­ rung:When using the delta state variables, the change is tion:

Aus dem Vergleich der beiden Änderungen ist ersichtlich, daß beim erfindungsgemäßen Verfahren die Abänderung der Eingangssignale und dadurch auch der Stellgröße u bei einer Änderung der adaptierten Komponente ri um den Wert (xi)₁·Δri kleiner wird. Hierdurch wird der Störeffekt, der letztlich durch den Regler als unerwünschte Störung ausge­ regelt werden muß, bei der Regelparameteradaption im tran­ sienten Zustand wesentlich kleiner und im Beharrungszustand sogar Null. Die Adaption der Regelparameter bei Änderung des Leistungsniveaus stellt im Vergleich zu den natürlichen Störgrößen der Regelstrecke eine wesentlich kleinere Stö­ rung dar und ist daher auch realisierbar. Die maximal mög­ liche Robustheit wird dadurch realisierbar.It can be seen from the comparison of the two changes that in the method according to the invention the change in the input signals and thereby also the manipulated variable u when the adapted component r i changes by the value (x i ) ₁ · Δr i becomes smaller. As a result, the interference effect, which must ultimately be regulated out by the controller as an undesirable fault, is substantially smaller in the control parameter adaptation in the transient state and even zero in the steady state. The adaptation of the control parameters when the power level changes represents a significantly smaller disturbance compared to the natural disturbance variables of the controlled system and can therefore also be implemented. This enables the maximum possible robustness.

Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, wobei die Zustandsvariablen xi nicht als Meßgrößen zur Verfügung ste­ hen, sondern mit Hilfe eines Beobachters 3 gebildet werden müssen. Regelstrecke 1 ist in diesem Beispiel ein Überhit­ zer, in dessen Dampfzuleitung 10 ein Einspritzkühler 50 eingefügt ist, dessen Wasserzufuhr über ein Ventil 51 mit Stellantrieb 52 durch einen Zustandsregler 2 mit Folgereg­ ler 7 geregelt wird. Der Folgeregler 7 ermöglicht eine schnelle Reaktion auf eine Änderung der Dampfeintrittstem­ peratur, die an einer Meßstelle 53 erfaßt wird und an einer siebten Additionsstelle 17 zum Ausgangssignal des Zustands­ reglers 2 addiert wird. Fig. 3 shows a second embodiment wherein the state variables x i is not as variables need to be formed with the aid of an observer 3 ste available hen, but. Control path 1 is in this example an overheat, in whose steam feed line 10 an injection cooler 50 is inserted, the water supply of which is regulated via a valve 51 with actuator 52 by a state controller 2 with a follower regulator 7 . The slave controller 7 enables a quick response to a change in the steam inlet temperature, which is detected at a measuring point 53 and added at a seventh addition point 17 to the output signal of the state controller 2 .

Der Zustandsregler 2 enthält zweite Bausteine 92, die Ab­ wandlungen des in Fig. 1 dargestellten Bausteins 9 sind. Den zweiten Bausteinen 92 sind jeweils beobachtete Zu­ standsvariable B₁ bis B₃ als Eingangsgrößen zugeführt; d. h. im betrachteten Fall ist n = 3.The state controller 2 contains second building blocks 92 , which are modifications of the building block 9 shown in FIG. 1. The second building blocks 92 are each observed state variables B₁ to B₃ supplied as input variables; ie in the case under consideration n = 3.

Da dem Zustandsregler 2 beobachtete Zustandsvariable, also nicht Delta-Zustandsvariable zugeführt und die für das er­ findungsgemäße Verfahren benötigten Änderungswerte dieser Zustandsvariablen intern ermittelt werden, kann - falls die Parameter ri einzeln adaptiert werden - ein Beobachter 3, nur mit einer P-Nachführung benutzt werden, der die Ordnung der zu regelnden Regelstrecke, z. B. des Überhitzers nur zweifach erhöht und die exakte Auslegung des Regelvektors nach dem Prinzip des Separationstheorems für das vorgege­ bene Verhalten des Regelkreises möglich macht. Ein Beobach­ ter der Delta-Zustandsvariable liefert, weist eine kompli­ ziertere Struktur, als in Fig. 3 gezeigt, auf. Ein solcher Beobachter, der eine PI-Nachführung und der neben einem Überhitzermodell noch ein Führungsgrößenmodell enthalten müßte, erhöht erstens die Ordnung der Regelstrecke mehr als zweifach und macht zweitens das Separationstheorem ungül­ tig. Das heißt, daß die Auslegung des Regelvektors für ein vorgegebenes dynamisches Verhalten des Regelkreises (Pol­ vorgabe) nur grob angenähert vollzogen werden kann und das dynamische Verhalten des Regelkreises - aufgrund seiner unnötig erhöhten Ordnung - träger wird.Since the state controller 2 is supplied with observed state variables, that is to say not a delta state variable, and the change values of these state variables required for the method according to the invention are determined internally, if the parameters r i are individually adapted, an observer 3 can only be used with a P tracker be the order of the controlled system, z. B. the superheater only increased twice and the exact design of the control vector according to the principle of the separation theorem for the prege bene behavior of the control loop possible. An observer of the delta state variable provides a more complicated structure than that shown in FIG. 3. Such an observer, who would have to include a PI tracker and which, in addition to a superheater model, would also have to include a reference variable model, firstly increases the order of the controlled system more than twice and, secondly, invalidates the separation theory. This means that the design of the control vector for a given dynamic behavior of the control loop (pole default) can only be roughly approximated and the dynamic behavior of the control loop - due to its unnecessarily increased order - becomes sluggish.

Der benutzte Beobachter 3 enthält zweite PT1-Glieder 42 mit unterschiedlichen Zeitkonstanten T1 bis T3. Die an einer zweiten Meßstelle 54 erfaßte Austrittstemperatur, d. h. die Regelgröße y ist zu einer neunten Additionsstelle 19 ge­ führt, an der ein vom Beobachter 3 gebildeter Schätzwert y subtrahiert wird. Das Ausgangssignal der neunten Addi­ tionsstelle 19 wird zur Nachführung des Beobachters über eine dritte Multiplikationsstelle 23 und eine achte Addi­ tionsstelle 18 genutzt. Mit h1 bis h3 sind Nachführungsvek­ toren bezeichnet. Mit V₁ bis V₃ sind Verstärkungen bezeich­ net. Die an der ersten Meßstelle erfaßte Eintrittstempera­ tur ist dem Beobachter als Eingangsgröße zugeführt.The observer 3 used contains second PT1 elements 42 with different time constants T1 to T3. The outlet temperature detected at a second measuring point 54 , ie the controlled variable y leads to a ninth addition point 19 , at which an estimate y formed by the observer 3 is subtracted. The output signal of the ninth addition point 19 is used for tracking the observer via a third multiplication point 23 and an eighth addition point 18 . With h1 to h3 tracking vectors are designated. With V₁ to V₃ reinforcements are called net. The entry temperature detected at the first measuring point is fed to the observer as an input variable.

Die Zeitkonstanten der ersten PT1-Gliedern 41 in den zwei­ ten Bausteinen 92 betragen ein Mehrfaches, im Ausführungs­ beispiel ein Zehnfaches der jeweiligen Zeitkonstanten der zweiten PT1-Glieder 42. The time constants of the first PT1 elements 41 in the two-th building blocks 92 are a multiple, in the embodiment, for example, ten times the respective time constants of the second PT1 elements 42 .

Den ersten PT1-Gliedern 41 ist jeweils das Eingangssignal Gi des entsprechenden zweiten PT1-Gliedes 42 zugeführt; die beiden PT1-Glieder 41, 42 sind also jeweils eingangsseitig parallelgeschaltet. Das Ausgangssignal des ersten PT1-Glie­ des ist mit negativem Vorzeichen zur ersten Additionsstelle 11 geführt. Zu dieser ersten Additionsstelle 11 ist außer­ dem mit positivem Vorzeichen jeweils die am Ausgang des zweiten PT1-Gliedes 42 abgegriffene nachgebildete Zustands­ variable Bi, im betrachteten Fall i = 1, 2, 3, zugeführt. Das Ausgangssignal der ersten Additionsstelle 11 wird jeweils an der ersten Multiplikationsstelle 21 i mit dem adaptierten Regelparameter ri multipliziert.The first PT1 elements 41 are each supplied with the input signal G i of the corresponding second PT1 element 42 ; the two PT1 elements 41 , 42 are each connected in parallel on the input side. The output signal of the first PT1-Glie is led to the first addition point 11 with a negative sign. In addition to the one with a positive sign, the simulated state variable B i , in the case under consideration i = 1, 2, 3, is fed to this first addition point 11, which is tapped at the output of the second PT1 element 42 . The output signal of the first addition point 11 is multiplied at the first multiplication point 21 i by the adapted control parameter r i .

Das Ausgangssignal der ersten Multiplikationsstelle 21 wird jeweils an einer vierten Multiplikationsstelle 24 mit einem ersten Faktor K11, K12, K13 multipliziert, der im betrach­ teten Fall 10/9 ist. Das Ergebnis ist jeweils als Ausgangs­ signal C1, C2, C3 auf einen zweiten Summenbildner 29 ge­ führt. Das Ausgangssignal der ersten Multiplikationsstellen 21 ist außerdem jeweils an fünften Multiplikationsstellen 25 mit zweiten Faktoren K21, K22, K23 multipliziert, deren Wert 1/9·Ti ist. Die Ausgangssignale D1, D2, D3 der fünften Multiplikationsstellen 25 sind auf einen dritten Summen­ bildner 30 geführt. Auch das Signal E ist zum Summenbildner 30 geführt, dessen Ausgang mit einem vierten Integrator 34 verbunden ist. Die Ausgänge des zweiten Summenbildners 29 und des vierten Integrators 34 werden an einer sechsten Additionsstelle 16 addiert, deren Ausgangssignal mit nega­ tivem Vorzeichen als Ausgangssignal des Zustandsreglers 2 zur siebten Additionsstelle 17 geführt ist.The output signal of the first multiplication point 21 is multiplied at a fourth multiplication point 24 by a first factor K11, K12, K13, which is 10/9 in the case under consideration. The result is in each case as an output signal C1, C2, C3 to a second totalizer 29 leads. The output signal of the first multiplication points 21 is also multiplied at fifth multiplication points 25 by second factors K21, K22, K23, the value of which is 1/9 · T i . The output signals D1, D2, D3 of the fifth multiplication points 25 are guided to a third sum 30 . The signal E is also led to the summing unit 30 , the output of which is connected to a fourth integrator 34 . The outputs of the second summing unit 29 and the fourth integrator 34 are added at a sixth addition point 16 , the output signal of which has a negative sign as the output signal of the state controller 2 to the seventh addition point 17 .

Ein weiteres Ausführungsbeispiel stellt eine in der Zeich­ nung nicht dargestellte Abwandlung dar, bei der dem in Fig. 2 gezeigten Baustein 91 anstelle der gemessenen Zu­ standsvariablen xi von einem Beobachter gebildete Schätz­ werte zugeführt sind.Another exemplary embodiment is a modification not shown in the drawing, in which the building block 91 shown in FIG. 2 is supplied with estimated values formed by an observer instead of the measured state variables x i .

Außerdem können die individuellen Regelparameter ri an­ stelle einer - mit Hilfe des Signals Z - gesteuerten Adap­ tion auch im Rahmen einer Adaptivregelung, also mit Hilfe eines Adaptiv-Algorithmus, bestimmt werden.In addition, the individual control parameters r i can be determined in the context of an adaptive control, that is to say with the aid of an adaptive algorithm, instead of an adaptation controlled using the signal Z.

BezugszeichenlisteReference list

1 Regelstrecke
2 Zustandsregler
3 Beobachter
4 Sollwertgeber
7 Folgeregler
8 Funktionsbildner
9 Grundbaustein
10 Dampfzuleitung
11 erste Additionsstelle
12 zweite Additionsstelle
13 dritte Additionsstelle
14 vierte Additionsstelle
15 fünfte Additionsstelle
16 sechste Additionsstelle
17 siebte Additionsstelle
18 achte Additionsstelle
19 neunte Additionsstelle
21 erste Multiplikationsstelle
22 zweite Multiplikationsstelle
23 dritte Multiplikationsstelle
24 vierte Multiplikationsstelle
25 fünfte Multiplikationsstelle
26 sechste Multiplikationsstelle
28 erster Summenbildner
29 zweiter Summenbildner
30 dritter Summenbildner
31 erster Integrator
32 zweiter Integrator
33 dritter Integrator
34 vierter Integrator
41 erstes PT1-Glied
42 zweites PT1-Glied
50 Einspritzkühler
51 Ventil
52 Stellantrieb
53 erste Meßstelle
54 zweite Meßstelle
91 erster Baustein
92 zweiter Baustein
Ai, Ci, Di Ausgangssignale der Bausteine 91, 92
Bi beobachtete Funktionsvariable
E adaptierte Soll-Ist-Differenz
Fi Funktion des Funktionsbildners 8 i
Gi Eingangssignal des zweiten PT1-Gliedes 42
Ki Faktoren
Ti Zeitkonstanten
Vi Verstärkungen
hi Nachführvektoren
ri Regelparameter
u Stellgröße
y Regelgröße
Schätzwert der Regelgröße
w Sollwert
Z adaptierendes Signal
xi Zustandsvariable
Δxi Delta-Zustandsvariable
Δxiri adaptierte Delta-Zustandsvariable
1 controlled system
2 state controllers
3 observers
4 setpoints
7 slave controllers
8 function formers
9 basic building block
10 steam supply line
11 first addition point
12 second addition point
13 third addition point
14 fourth addition point
15 fifth addition point
16 sixth addition point
17 seventh addition point
18 eighth addition point
19 ninth addition point
21 first multiplication point
22 second multiplication point
23 third multiplication point
24 fourth multiplication point
25 fifth multiplication point
26 sixth multiplication point
28 first totalizer
29 second totalizer
30 third totalizers
31 first integrator
32 second integrator
33 third integrator
34 fourth integrator
41 first PT1 element
42 second PT1 link
50 desuperheaters
51 valve
52 actuator
53 first measuring point
54 second measuring point
91 first module
92 second building block
A i , C i , D i output signals of the modules 91 , 92
B i observed function variable
E adapted target-actual difference
F i function of the function generator 8 i
G i input signal of the second PT1 element 42
K i factors
T i time constants
V i reinforcements
h i tracking vectors
r i control parameters
u manipulated variable
y controlled variable
Estimated value of the controlled variable
w setpoint
Z adapting signal
x i state variable
Δx i delta state variable
Δx i r i adapted delta state variable

Claims (10)

1. Verfahren zur Regelung eines Prozesses, der unter­ schiedliche Leistungsniveaus annehmen kann, auf diesen Lei­ stungsniveaus ein unterschiedliches dynamisches Verhalten hat und der die Regelstrecke (1) eines Regelkreises mit ei­ nem Zustandsregler (2) bildet, wobei
  • - dem Zustandsregler (2) zur Anpassung an das jeweilige dynamische Verhalten der Regelstrecke (1) mehrere Zu­ standsvariablen (xi) zugeführt sind und
  • - außerdem eine Adaption des Regelvektors (r) durchge­ führt wird,
1. A method for controlling a process which can assume different performance levels, has different dynamic behavior at these performance levels and which forms the controlled system ( 1 ) of a control circuit with a state controller ( 2 ), whereby
  • - The state controller ( 2 ) for adapting to the respective dynamic behavior of the controlled system ( 1 ) are supplied with several status variables (x i ) and
  • - an adaptation of the rule vector (r) is also carried out,
dadurch gekennzeichnet, daß eine optimale Adaption des Zu­ standsreglers (2) dadurch erreicht wird, daß zur Bildung der Stellgröße (u)
  • a) anstelle der Zustandsvariablen (xi) die Änderungen dieser Variablen (xi), also sogenannte Delta-Zu­ standsvariable ( Δxi) verwendet werden, und
  • b) die Delta-Zustandsvariablen (Δxi) mit Regelparame­ tern (ri), d. h. Komponenten des Regelvektors (r) mul­ tipliziert werden, die vom Leistungsniveau abhängig und je Parameter (ri) unterschiedlich adaptiert wer­ den, wobei im Beharrungszustand der Zustandsvariablen (xi) die gebildeten adaptierten Delta-Zustandsvariab­ len (Δxi·ri) unverändert bleiben, wenn eine Parame­ teränderung (ri+Δri) eintritt.
characterized in that an optimal adaptation of the state controller ( 2 ) is achieved in that the formation of the manipulated variable (u)
  • a) instead of the state variables (x i ), the changes to these variables (x i ), that is to say the so-called delta state variables (Δx i ), are used, and
  • b) the delta state variables (Δx i ) with control parameters (r i ), ie components of the control vector (r) are multiplied, which are dependent on the performance level and adapted differently depending on the parameter (r i ), the steady state of the state variables (x i ) the formed adapted delta state variables (Δx i · r i ) remain unchanged when a parameter change (r i + Δr i ) occurs.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle oder wenigstens ein Teil der Zustandsvariablen (xi) mit meßtechnischen Mitteln erfaßte physikalische Grö­ ßen sind. 2. The method according to claim 1, characterized in that all or at least some of the state variables (x i ) are measured with physical means physical quantities. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle oder wenigstens ein Teil der Zustandsvariablen (xi) in einem Beobachter (3) gebildet werden.3. The method according to claim 1, characterized in that all or at least some of the state variables (x i ) are formed in an observer ( 3 ). 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Beobachter (3) mit einer P-Nachführung zur Bildung von Zustandsvariablen (xi) verwendet wird.4. The method according to claim 3, characterized in that an observer ( 3 ) with a P-tracking is used to form state variables (x i ). 5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die adaptierten Delta-Zustands­ variablen (Δxi·ri) durch nachstehende Schritte gebildet werden:
  • a1) eine Zustandsvariable (xi) wird einem ersten PT1-Glied (41), dessen Zeitkonstante T ist, zuge­ führt, dessen Ausgangssignal mit negativem Vorzeichen einer ersten Additionsstelle (11) zugeführt wird;
  • a2) die Zustandsvariable (xi) wird außerdem mit positivem Vorzeichen direkt zur ersten Additionsstelle (11) ge­ führt;
  • b) das Ausgangssignal der ersten Additionsstelle (11) wird an einer sechsten Multiplikationsstelle (26) mit einem individuell adaptierten Regelparameter (ri) multipliziert;
  • c) das Ausgangssignal der sechsten Multiplikationsstelle (26) wird mit positivem Vorzeichen direkt und außer­ dem über einen ersten Integrator (31), dessen Nach­ stell-Zeitkonstante T ist, zu einer zweiten Additionsstelle (12) geführt, deren Ausgangssignal die zu bildende adaptierte Delta-Zustandsvariable Δxi·ri) ist.
5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the adapted delta state variables (Δx i · r i ) are formed by the following steps:
  • a1) a state variable (x i ) is fed to a first PT1 element ( 41 ), the time constant of which is T, the output signal of which is fed to a first addition point ( 11 ) with a negative sign;
  • a2) the state variable (x i ) also leads directly to the first addition point ( 11 ) with a positive sign;
  • b) the output signal of the first addition point ( 11 ) is multiplied at a sixth multiplication point ( 26 ) by an individually adapted control parameter (r i );
  • c) the output signal of the sixth multiplication point ( 26 ) is given a positive sign directly and in addition to that via a first integrator ( 31 ), whose post-setting time constant is T, to a second addition point ( 12 ) whose output signal is the adapted delta to be formed -State variable Δx i · r i ).
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die individuelle, d. h. vom Lei­ stungsniveau und vom Teilprozeß - repräsentiert durch die jeweilige Zustandsvariable (xi) - abhängige Adaption der Regelparameter (ri) mit Hilfe eines Funktionsbildners (8 i) durchgeführt wird, in Abhängigkeit von einem adaptierenden Signal (Z).6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the individual, ie the performance level and the sub-process - represented by the respective state variable (x i ) - dependent adaptation of the control parameters (r i ) with the help of a function generator ( 8 i ) is performed depending on an adapting signal (Z). 7 Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die individuelle Adaption der Re­ gelparameter (ri) im Rahmen einer Adaptivregelung mit Hilfe eines Adaptiv-Algorithmus durchgeführt wird.7 The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the individual adaptation of the control parameters (r i ) is carried out as part of an adaptive control with the aid of an adaptive algorithm. 8. Verfahren nach Anspruch 6, durch nachstehende Ab­ wandlung an einen Anwendungsfall angepaßt, in dem mehrere Funktionsvariable (xi bis xn) als physikalische Meßgrößen zur Verfügung stehen:
  • a) die Funktionsvariablen (xi bis xn) werden jeweils ei­ nem ersten Baustein (91) zugeführt, der jeweils ein Ausgangssignal (Ai) liefert, das ein mit dem adap­ tierten Parameter (ri) multipliziertes Ausgangssignal der ersten Additionsstelle (11) ist;
  • b) die Ausgangssignale (Ai) der Bausteine (91) werden in einem ersten Summenbildner (23) summiert, und dessen Ausgangssignal wird sowohl direkt, als auch über einen dritten Integrator (33) zu einer vierten Addi­ tionsstelle (14) geführt, deren Ausgangssignal die Summe der durch Regelparameter (ri) adaptierten Delta-Zustandsvariablen (Δxi·ri) ist;
  • c) an einer fünften Additionsstelle (15) wird zum Aus­ gangssignal der vierten Additionsstelle (14) ein ad­ aptiertes Sollwert-Istwert-Differenzsignal addiert zur Bildung der Stellgröße (u).
8. The method according to claim 6, adapted from the following conversion to an application in which several function variables (x i to x n ) are available as physical measured variables:
  • a) the function variables (x i to x n ) are each fed to a first module ( 91 ), each of which provides an output signal (A i ) which is an output signal of the first addition point ( 11. ) multiplied by the adapted parameter (r i ) ) is;
  • b) the output signals (A i ) of the blocks ( 91 ) are summed in a first summing device ( 23 ), and its output signal is fed both directly and via a third integrator ( 33 ) to a fourth addition point ( 14 ), the Output signal is the sum of the delta state variables (Δx i · r i ) adapted by control parameters (r i );
  • c) at a fifth addition point ( 15 ) is added to the output signal from the fourth addition point ( 14 ) an adapted setpoint-actual value difference signal to form the manipulated variable (u).
9. Verfahren nach Anspruch 6, durch nachstehende Ab­ wandlung an einen Anwendungsfall angepaßt, in dem mehrere beobachtete Zustandsvariable (Bi) in einem Beobachter (3) mit in Reihe geschalteten zweiten PT1-Gliedern (42), deren Zeitkonstante Ti, i = 1 bis 3, . . . , ist, gebildet werden:
  • a) die beobachteten Zustandsvariablen (Bi) werden je­ weils einer ersten Additionsstelle (11) in einem zweiten Baustein (92) zugeführt;
  • b) Eingangssignale (Gi) der jeweiligen zweiten PT1-Glie­ der (42) werden ersten PT1-Gliedern (41) der zweiten Bausteine (92) zugeführt, wobei die Zeitkonstante z. B. 10·Ti beträgt;
  • c) das Ausgangssignal des ersten PT1-Gliedes (41) wird jeweils mit negativem Vorzeichen zur ersten Additi­ onsstelle (11) geführt;
  • d) das Ausgangssignal der ersten Additionsstelle (11) wird jeweils an einer ersten Multiplikationsstelle (21 i) mit dem adaptierten Parameter (ri) multipli­ ziert;
  • e) das Ausgangssignal der ersten Multiplikationsstelle (21 i) wird an einer vierten Multiplikationsstelle (24) mit einem ersten Faktor K11, z. B. 10/9 multi­ pliziert zur Bildung erster Ausgangssignale (Ci) der zweiten Bausteine (92);
  • f) das Ausgangssignal der ersten Multiplikationsstelle (21 i) wird außerdem an einer fünften Multiplikations­ stelle (25) mit einem zweiten Faktor K12, z. B. 1/9·T1 multipliziert zur Bildung zweiter Ausgangssignale (Di) der zweiten Bausteine;
  • g) die ersten Ausgangssignale (Ci) werden mit einem zweiten Summenbildner (29) summiert und zu einer sechsten Additionsstelle (16) geführt;
  • h) die zweiten Ausgangssignale (Di) werden mit einem dritten Summenbildner (30) summiert, dem außerdem ein adaptiertes Sollwert-Istwert-Differenzsignal (E) zu­ geführt ist;
  • i) das Ausgangssignal des dritten Summenbildners (30) wird mit einem vierten Integrator (34) integriert und zur sechsten Additionsstelle (16) geführt, zur Bil­ dung des vom Zustandsregler (2) zu liefernden Stell­ signals.
9. The method according to claim 6, adapted by the following from conversion to an application in which a plurality of observed state variables (B i ) in an observer ( 3 ) with series-connected second PT1 elements ( 42 ), whose time constant T i , i = 1 to 3, . . . , is to be formed:
  • a) the observed state variables (B i ) are each supplied to a first addition point ( 11 ) in a second module ( 92 );
  • b) Input signals (G i ) of the respective second PT1 circuit ( 42 ) are supplied to first PT1 elements ( 41 ) of the second modules ( 92 ), the time constant being, for. B. 10 · T i ;
  • c) the output signal of the first PT1 element ( 41 ) is led with a negative sign to the first Additi onsstelle ( 11 );
  • d) the output signal of the first addition point ( 11 ) is multiplied at a first multiplication point ( 21 i ) by the adapted parameter (r i );
  • e) the output signal of the first multiplication point ( 21 i ) is at a fourth multiplication point ( 24 ) with a first factor K11, z. B. 10/9 multiplied to form first output signals (C i ) of the second building blocks ( 92 );
  • f) the output signal of the first multiplication point ( 21 i ) is also at a fifth multiplication point ( 25 ) with a second factor K12, z. B. 1/9 · T1 multiplied to form second output signals (D i ) of the second building blocks;
  • g) the first output signals (C i ) are summed with a second totalizer ( 29 ) and led to a sixth addition point ( 16 );
  • h) the second output signals (D i ) are summed with a third totalizer ( 30 ) to which an adapted setpoint-actual value difference signal (E) is also fed;
  • i) the output signal of the third totalizer ( 30 ) is integrated with a fourth integrator ( 34 ) and led to the sixth addition point ( 16 ) to form the control signal to be supplied by the state controller ( 2 ).
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